绿色荧光蛋白（Green fluorescent protein,GFP）最初从维多利亚多管发光水母体内分离,以其独特的光学性质,常被用于荧光标记,在细胞生物学及分子生物学等领域有着广泛的应用,因此受到人们的格外关注。通过化学合成而非基因工程的方法制备具有类似GFP光学性质的荧光染料或生物材料,具有重要的科学意义。然而,如何实现这一过程、怎样模拟GFP的发光原理以及如何探索其应用,依然是巨大的难题和挑战。在本论文中,设计并合成了三种新颖的具有类似GFP光学性质的发光体系,系统地研究了它们的光学性质,并初步探索了它们在细胞黏度探针、活性氧小分子HOCl探针以及光动力治疗领域的应用。本论文共分五个章节,具体研究内容和结论概括如下:第一章:绪论。首先简单介绍了GFP的科学背景,基本结构与发光原理以及光学性质。其次从其特殊的光学性质出发,延伸出其被化学调制成生物传感器的诸多应用。再次,针对与病变相关标志物如细胞黏度、活性氧小分子HOCl,介绍了他们的工作机理和研究现状。然后介绍了光动力治疗的作用机制,综述了基于有机小分子荧光染料光敏剂种类与研究现状。最后列举了这三种实际应用中存在的问题,提出了基于GFP生色团及其类似物的相应解决方案。第二章:介绍了三种合成GFP生色团及其类似物的常用方法。首先,针对这些方法在合成中存在的优缺点进行分析,选择了普适且便利的[2+3]环加成合成法。然后系统地阐述了[2+3]反应的合成策略,并对现存的一些弊端进行分析,提出了一套新颖的合成优化策略。使得通过[2+3]环加成合成法得到的GFP生色团及其类似物产率最高可达90%以上,极大提高了其合成转化率,为日后工业量产提供了先决条件。因此,通过优化后的[2+3]环加成法,合成了三种新颖的GFP生色团及其类似物,分别用于细胞溶酶体黏度探针和细胞活性氧小分子HOCl探针以及光敏剂的研究。本章中合成的一系列化合物通过了氢谱、碳谱以及高分辨质谱的表征。第三章:首先通过[2+3]环加成反应合成咔唑基GFP生色团类似物,然后通过Knoevenagel缩合反应连接了吗啉-吲哚单元,延长了分子的共轭结构,合成了一种灵敏的黏度探针Lys-Cz FP。在探针的结构设计中,咔唑和吲哚部分赋予了Lys-Cz FP更大的分子平面和黏度敏感性。溶酶体定位基吗啉的引入,实现了溶酶体定位的效果,同时溶酶体酸性的环境可使得分子内PET过程减弱,促使Lys-Cz FP荧光打开,赋予其酸性p H激活的荧光特性,同时可以减弱溶酶体外部的背景荧光,提高溶酶体定位的准确率。Lys-Cz FP表现出较强的黏度依赖性,随着黏度的增加,其位于560 nm处的荧光强度在5s内增加了约98倍;ΦF从0.003增加到0.253;寿命从0.25 ns增加到1.12 ns。最终利用Lys-Cz FP实现了细胞溶酶体黏度变化的实时检测。第四章:同样,首先通过[2+3]环加成反应合成GFP生色团,然后使用Knoevenagel缩合反应连接吩噻嗪单元,延长分子的共轭结构,将GFP生色团调制成用于活性氧小分子HOCl检测的荧光探针RFP-Ptz。由于RFP-Ptz识别HOCl的过程是基于特殊的氧-氯（O-Cl）键的形成机理,因此RFP-Ptz具有较好的选择性和特异性,其中148 nm的大Stokes位移也可有效地减少“自吸收”的干扰。在HOCl的存在下,探针位于610 nm处的荧光显著增强,检测限为6.76×10-7 M,荧光量子产率增大12倍。同时RFP-Ptz可以在5 s内实现高效的“裸眼”识别,识别前后溶液颜色伴随着从黄色到红色的显著变化。细胞实验表明RFP-Ptz具有良好的生物相容性和低细胞毒性。最终RFP-Ptz被成功应用于SGC-7901细胞中外源性HOCl的成像。第五章:本章工作的基础源于前几章工作。使用第二章的优化后的合成方法合成了第四章中的RFP-Ptz。然后通过取代反应将RFP-Ptz中活性羟基位点使用乙基吗啉进行保护,同时引入第三章中分子转子的理念,成功合成出一种无重原子的用于细胞光动力治疗和溶酶体黏度探针的双功能GFP生色团类似物Lys-Ptz FP。Lys-Ptz FP在Me OH中显示出高的单线态氧量子产率（ΦΔ=0.42）和低的荧光量子产率（ΦF=0.002）。此外,Lys-Ptz FP具有敏感的黏度响应,在丙三醇溶液中显示出明显的近红外发射～672 nm。Lys-Ptz FP具有较好的光稳定性,溶酶体定位特性以及较低的暗毒性。光毒性数据结果表明,孵育了Lys-Ptz FP细胞在经历光照15分钟后,大部分细胞呈现凋亡状态,IC50值为0.93μM。最后,通过对比红色通道荧光强度的变化,发现在PDT诱导的细胞凋亡过程中,伴随着细胞内活性氧的升高,溶酶体黏度也可能伴有一定程度的增加。